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Posté par Michel le Mardi 30/05/2006 à 00:00
Théorie: Détecter une quatrième dimension spatiale de l’Univers
Des scientifiques des universités de Duke et de Rutgers viennent de développer un cadre mathématique qui devrait, selon eux, permettre aux astronomes de tester une nouvelle théorie à cinq dimensions de la gravitation, théorie en concurrence avec la relativité générale d'Einstein.


Quatre dimensions spatiales ?

Charles R. Keeton de Rutgers et Arlie O. Petters de Duke basent leurs travaux sur une théorie récente appelée « modèle du Braneworld Randall-Sundrum de type II ». Cette théorie soutient que l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) visible est une membrane (d’où le mot "Braneworld") encastrée dans un univers plus grand, un peu comme une algue (Les algues sont des êtres vivants capables de photosynthèse dont le cycle de vie se déroule généralement en milieu aquatique. Elles...) qui flotte dans l'océan. L’univers « Braneworld » possède cinq dimensions, quatre dimensions spatiales et une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) temporelle, s’opposant en cela aux quatre dimensions, trois d’espace, plus le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), proposées par la théorie de la relativité générale.

Le cadre que Keeton et Petters ont développé prévoit certains effets cosmologiques qui, s’ils sont observés, pourraient permettre aux scientifiques de valider cette théorie. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...), ont-ils indiqué, devraient être possibles à l’aide des prochains observatoires spatiaux. Selon Peters, si la théorie du Braneworld est vérifiée, elle confirmerait l’existence d’une quatrième dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) de l’espace, ce qui modifierait profondément notre compréhension du monde (Le mot monde peut désigner :): le modèle de Randall-Sundrum est une description mathématique de la façon dont la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) sculpte l'univers, qui diffère de celle offerte par la théorie de la relativité générale.

Une multitude de mini trous noirs

Keeton et Petters se sont concentrés sur une de ses conséquences qui la distingue de la théorie d'Einstein. La théorie du Braneworld prévoit que des « trous noirs » relativement petits, produits lors de la prime jeunesse de l’Univers, ont survécu jusqu’à aujourd’hui. Ces trous noirs, équivalents à de minuscules astéroïdes, feraient partie de la « matière sombre » de l'univers. Comme son nom l’indique, la matière sombre n’émet ni ne réfléchit la lumière, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en exerçant une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) de gravitation sensible. La théorie de la relativité, pour sa part, prévoit que de tels trous noirs primordiaux n'existent plus, car ils devraient s’être vaporisés depuis le moment de leur formation.

"Quand nous avons estimé à quelle distance les trous noirs du Braneworld pourraient être de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...), nous avons été étonnés de constater que les plus proches se trouveraient largement à l'intérieur de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) de Pluton (Pluton, dont la désignation officielle est (134340) Pluton, est la deuxième plus grande planète naine connue du système solaire et...)", indique Keeton. « Et si même ces trous noirs ne représentent qu’un pour cent de la matière sombre dans notre secteur de la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.), ce qui est une estimation prudente, alors il pourrait en exister plusieurs milliers dans notre propre Système Solaire", ajoute Petters.

Mais les trous noirs du Braneworld existent-ils réellement et représentent-ils donc une vérification pour cette théorie à cinq dimensions ?

Observer les franges des rayons gamma

Les scientifiques ont montré qu'il devrait être possible de répondre à cette question en observant les effets que les trous noirs du Braneworld exerceraient sur les rayonnements électromagnétiques que nous recevons d'autres galaxies. Les trajectoires de telles radiations passant à proximité d'un de ces trous noirs seraient modifiées par les forces de gravitation énormes de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise,...), par l’effet appelé "lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.)".

Selon Keeton, il faudrait détecter l’action de ce phénomène sur le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) émis par les sursauts gamma. Ces flashs de rayons gamma sont produits par d'énormes explosions dans tout l'univers. Les deux scientifiques ont calculé que les trous noirs du Braneworld modifieraient la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des rayons gamma de la même manière qu’une roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de...) dans un étang entrave le passage des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). La présence de la roche génère une "figure d'interférence" dans son sillage dans laquelle certaines crêtes sont plus hautes, certaines cuvettes sont plus creuses, et enfin certaines crêtes et cuvettes s'annulent les unes les autres. La figure d'interférence résultante porte la signature des caractéristiques de la roche et de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

De la même façon, un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de...) du Braneworld produirait une figure d'interférence pour un faisceau de rayons gamma qui le frôlerait dans sa route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire...) vers la Terre. Les chercheurs prédisent la présence de franges lumineuses et sombres dans la figure, qui fourniraient un moyen de déduire les caractéristiques de ces trous noirs et, par voie de conséquence, de la structure de l'espace et du temps: "Nous avons découvert que la signature d'une quatrième dimension apparaît dans les figures d'interférence", explique Petters. "Cette dimension spatiale supplémentaire produit une contraction entre les franges par rapport à ce que l’on obtiendrait avec la relativité générale". Les chercheurs précisent que leurs prévisions s'appliqueraient à tous les trous noirs du Braneworld, qu’ils soient situés dans notre Système Solaire ou au-delà.

Petters et Keeton ont indiqué qu'il devrait être possible de mesurer le profil des franges prédites pour les rayons gamma en utilisant le télescope spatial GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), qui devrait être lancé en août 2007. "Si la théorie du Braneworld est correcte", disent-ils, "il devrait exister un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) extraordinaire de trous noirs de ce type à travers tout l'univers, et chacun d’eux porterait la signature d'une quatrième dimension spatiale".

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Source: Duke University
Illustration: Extrait du film « Cube 2 »